Prędkość małego promu hybrydowego a zużycie energii. Badania Magdaleny Kunickiej | WIMiO - Politechnika Gdańska

Mgr inż. Magdalena Kunicka prowadzi badania na przykładzie promu śródlądowego o napędzie spalinowym, który porusza się wahadłowo na trasach nieprzekraczających kilkuset metrów z jednego brzegu Motławy na drugi. Promotorem Magdaleny Kunickiej jest prof. PG, dr hab. inż. Wojciech Litwin, dyrektor Instytutu Oceanotechniki i Okrętownictwa.

– Powodem, który sprawił, że zainteresowałam się tą tematyką, jest świadomość faktu, że etap projektowania i konstruowania małych jednostek różni się od tych poruszających się po trasach międzynarodowych – mówiła doktorantka. W przypadku dużych jednostek, przepływających długie trasy morskie, systemy napędowe są projektowane i w całości dostarczane poprzez globalne koncerny, które odpowiadają za integrację z pozostałymi systemami znajdującymi się na statku. W małych jednostkach projektanci są zmuszeni samodzielnie łączyć ze sobą komponenty układu napędowego, niejednokrotnie od różnych dostawców. – Stwarza to wiele problemów w kwestii integracji systemów napędów i sterowania. Nasza wiedza na temat zużycia energetycznego małych jednostek śródlądowych jest niewielka, ponieważ tradycyjne badania oporowe przeprowadzane są dla jednostek poruszających się na długich trasach. Na nich energia zużyta na wykonywanie manewrów jest pomijana – w tym przypadku ma mało znaczący wpływ na całkowite zużycie energetyczne. Sytuacja jest inna dla omawianego przypadku – dodała.

Ważny kierunek w rozwoju statków 
 

Poszukiwanie nowoczesnych rozwiązań odnośnie do napędów statków wiąże się głównie z rozwojem orientacji ludzkiej na temat zanieczyszczeń generowanych do otoczenia i w związku z tym wprowadzania coraz bardziej restrykcyjnych przepisów dotyczących ochrony środowiska.

Emisja statku jest wynikiem jego cyklu eksploatacyjnego. Statek zanieczyszcza środowisko naturalne poprzez produkcję różnego rodzaju odpadów stałych, ścieków, poprzez emisję hałasu i produktów spalania paliw. Stąd obecnie istniejące i wciąż pojawiające się regulacje dotyczące zmniejszenia emisji ze statków. Ze względu na to, że ostatni czynnik z wymienionych traktuje się jako wiodący i najbardziej szkodliwy, napędy hybrydowe stają się coraz bardziej popularną opcją zarówno dla małych, jak i dużych statków. Zainteresowanie hybrydami (nie tylko w okrętownictwie) wymaga stosowania odpowiednich systemów magazynowania energii, które w różnej postaci mają zastosowanie w wielu sektorach przemysłowych, w celu poprawy wydajności układu. W obliczu coraz poważniejszych niedoborów energetycznych i zanieczyszczenia środowiska wykorzystanie nowych form energii stanie się ważnym kierunkiem przyszłego rozwoju statków.

– Po pierwsze, elektryczny napęd to rozwiązanie paliwooszczędne, szczególnie dla jednostek o zróżnicowanym profilu pracy, ponieważ moc generatora można wykorzystać dla obu typów napędów (diesel-electric) poprzez silniki elektryczne i systemy pomocnicze. Po drugie kluczowe jest bezpieczeństwo żeglugi. Gdy rozpoczynałam pracę nad tematyką optymalizacji zużycia energii jednostek z napędami hybrydowymi, był to moment wzrostu zainteresowania tego typu napędem. Głównie w sektorze transportowym (motoryzacyjnym). Udało mi się trafić w rozpoczynający się trend, głównie dzięki pomysłom podsuniętym przez promotora – dr. hab. inż. Wojciecha Litwina – profesora PG – zaznaczyła Magdalena Kunicka.

Popularne rozwiązanie

Ekonomiczne zarządzanie energią zyskuje na popularności na całym świecie. Coraz nowsze rozwiązania napędowe okazują się kosztowne, więc pożądane jest maksymalne zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych przy jak najwydajniejszej pracy układu napędowego. Osiągnięcie optymalnych parametrów pracy napędu jest możliwe poprzez stosowanie różnych strategii zarządzania energią. Jest to szczególnie ważne, gdy układ napędowy zasilany jest z akumulatorów o określonej pojemności. Ze względu na duży koszt akumulatorów, projektanci starają się zoptymalizować ich liczbę oraz wagę.

Jednakże dla jednostek wykorzystujących akumulatory, jako główne źródło energii, towarzystwa klasyfikacyjne często narzucają wymóg instalacji prądnicy – rezerwowego źródła zasilania. Ma to swoje uzasadnienie w przypadku, gdy wskutek nieprawidłowego gospodarowania posiadaną energią, dojdzie do przedwczesnego rozładowania akumulatorów (dlatego ważne są też szkolenia dla sterników, obrazujące różnice w sterowaniu jednostką o różnym typie napędu). Duża liczba akumulatorów, to nie tylko ogromny koszt, ale też ich masa, która ma wpływ na użytkowanie jednostki. Im cięższe akumulatory, tym większe zanurzenie jednostki, szczególnie w przypadku małych jednostek. Im większe zanurzenie, tym gorsze własności hydromechaniczne – większy opór kadłuba statku, a więc i zwiększone zużycie energii.

Czy to się opłaca?

Jak podkreśliła mgr inż. Magdalena Kunicka, jest to opłacalne pod względem kosztów eksploatacyjnych, ale nie tylko. – Dodatkowo zastosowanie napędów hybrydowych/elektrycznych spełnia kryteria postawione przez konwencje Marpol, Helcom oraz inne przepisy obowiązujące w kraju, jak np. europejski program Natura 2000 – mówiła.

– Hybrydowe układy napędowe mocno rozwinęły się w ostatnich latach, a co za tym idzie, wzrósł również ich koszt. Kwestia doboru układu napędowego zależy od wielu czynników które należy przeanalizować już na etapie projektowania i dobrać napęd w zależności m.in. od przeznaczenia jednostki – zaznaczyła.

Praca i jej etapy

Trzy główne cele przedstawionej pracy to:

1. Ustalenie wpływu profilu prędkości poruszania się jednostki z napędem hybrydowym na całkowite zapotrzebowanie energetyczne, w określonym cyklu pracy.

W ramach realizacji tego celu wykorzystano odpowiednie badania empiryczne, obejmujące charakterystyki nieliniowe własności oporowych jednostki pływającej z napędem hybrydowym, zależnie od danego etapu poruszania się. Badania empiryczne zostały zweryfikowane poprzez utworzenie modelu matematycznego.

2. Określenie optymalnej strategii poruszania się jednostki poprzez odpowiednie gospodarowanie energią elektryczną.

W tym celu przeprowadzono analizę różnych profili poruszania się jednostki – oprócz tradycyjnych manewrów jak rozpędzanie, hamowanie i zmiana kierunku, uwzględniono również dodatkowe etapy, np. szybowanie, opierające się na zjawisku inercji, czyli bezwładności jednostki.

3. Weryfikacja pierwszego celu oraz sformułowanie na podstawie opracowanych związków matematycznych. Nieliniowego modelu teoretycznego, mającego za zadanie dobór optymalnego profilu prędkości, zgodnego z założeniami projektowymi oraz określenie, czy możliwe jest przełożenie uzyskanych zależności na jednostkę o innych parametrach odnośnie do geometrii kadłuba.

Do dziś w pełni zostały zrealizowane dwa pierwsze punkty. Punkt trzeci jest na ukończeniu i do tej pory skonstruowano teoretyczny model matematyczny. Na ukończeniu jest również program, który ma automatycznie dobierać dany profil prędkości, który będzie weryfikował profile utworzone samodzielnie z badań empirycznych. Dodatkowo ma dobierać optymalny profil w zależności od zadanego kryterium jak np. najkrótszy czas poruszania się czy najniższe zużycie energii.

Następnym krokiem będzie próba użycia danych uzyskanych przez inną jednostkę i analiza, czy już dla podstawowych danych możliwe jest ustalenie profilu prędkości dla innych jednostek.

Osiągnięcie wyżej wymienionych celów znacząco uzupełni wiedzę na temat wydajnego gospodarowania energią elektryczną jednostek poruszających się po małych akwenach wodnych. Pozwoli to na zminimalizowanie liczby akumulatorów, a tym samym zmniejszenie masy własnej układu napędowego na jednostkach elektrycznych i hybrydowych.